蔡 偉， 任曼曼， 蔡 兵， 施 壯

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601)

某大型鋼鐵企業(yè)自備電廠配備一臺135 MW摻燒煤氣燃煤機組，它利用燃煤鍋爐摻燒混合煤氣(高爐、焦爐、轉(zhuǎn)爐煤氣)發(fā)電，不僅充分回收利用企業(yè)內(nèi)部多余的煤氣，解決了煤氣排放對環(huán)境的污染問題，而且為鋼鐵企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程提供負荷和供熱，具有較高的經(jīng)濟和環(huán)保價值[1,2]。該機組自2008年建成投產(chǎn)以來，一直未能投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式運行，主蒸汽壓力和負荷均在手動控制方式，運行人員操作強度大。

機組未能投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式運行主要有兩個原因：一是機組必須全部消納鋼鐵生產(chǎn)過程送來的混合煤氣，煤氣成分、流量擾動大、不確定[3,4]；二是鍋爐為亞臨界汽包爐，采用直吹式制粉系統(tǒng)，主蒸汽壓力控制慣性大。針對大慣性、大遲延系統(tǒng)，國內(nèi)很多學(xué)者將預(yù)測控制推廣應(yīng)用到主蒸汽壓力控制上[5- 8]，但由于鍋爐燃燒過程影響因素多、不確定性強，難以建立準確的模型，因此，主要側(cè)重于算法仿真研究，實際應(yīng)用效果并不好；在火電機組自動控制系統(tǒng)中，前饋控制因抗擾動性強、快速性好，得到廣泛應(yīng)用[9-11]。本文采用前饋控制思想通過對主蒸汽壓力控制對象分析、建模，設(shè)計并搭建了控制策略，實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的正常投運。

1 主汽壓力控制對象分析與建模

1.1 主汽壓力控制對象模型

機組煤氣成分及流量變化是影響主汽壓力穩(wěn)定控制的最大擾動因素，煤量是控制主汽壓力的唯一手段；實際運行中當煤氣流量波動較大時，操作人員只能通過預(yù)先調(diào)整給煤量抑制主蒸汽壓力大幅波動；此外，煤氣變化對主蒸汽壓力的影響比煤更快，為掌握它們之間的特性，建立機組主汽壓力控制對象的數(shù)學(xué)模型[12-14]，如圖1所示。

圖1中Gm(s)、Gj(s)、Gg(s)、Gz(s)分別反映給煤量、焦爐煤氣流量、高爐煤氣流量、轉(zhuǎn)爐煤氣流量變化與主汽壓力變化之間的動態(tài)關(guān)系，用傳遞函數(shù)描述，且都可簡化為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)表示

(1)

為確定模型參數(shù)，對機組分別開展焦爐、高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣和給煤量階躍擾動試驗。以焦爐煤氣為例，試驗前使機組在手動控制方式運行，保持給煤量、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣流量穩(wěn)定，將焦爐煤氣總管流量快速增加3.6 km3/h，經(jīng)過一段時間后，主蒸汽壓力緩慢增加，變化過程如圖2所示。

圖1 主汽壓力控制對象模型框圖

1.2 基于非線性最小二乘算法的模型參數(shù)辨識

在模型結(jié)構(gòu)已知時，模型參數(shù)辨識問題為參數(shù)優(yōu)化問題。首先給模型中未知參數(shù)θ賦一組初始值；然后將模擬現(xiàn)場的激勵信號x(階躍信號)作用于仿真模型，得到模型輸出y；比較y與實際輸出y′的偏差e，用誤差平方和作為評價指標，使誤差平方和為最小的θ即為模型參數(shù)估計值；由于y=f(x,θ)是關(guān)于θ的非線性函數(shù)，采用非線性最小二乘算法辨識，辨識原理如圖3所示。

基于焦爐煤氣擾動試驗數(shù)據(jù)，利用MATLAB非線性最小二乘函數(shù)lsqnonlin通過曲線擬合得到式(2)所示的焦爐煤氣擾動通道模型，圖4為模型仿真輸出曲線與實測曲線擬合結(jié)果。

(2)

圖3 模型參數(shù)辨識原理圖

同理，得到高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、給煤量擾動通道數(shù)學(xué)模型，分別為式(3)～(5)：

(3)

(4)

(5)

圖5 主汽壓力超前滯后補償控制器結(jié)構(gòu)

2 主蒸汽壓力超前滯后補償控制器設(shè)計

在掌握煤氣擾動特性的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣前饋控制器Gcj(s)、Gcg(s)、Gcz(s)，如圖5所示。煤氣流量變化時，一方面通過前饋控制器快速調(diào)整給煤量，抑制和削弱其對主汽壓力的影響；另一方面通過閉環(huán)控制系統(tǒng)細調(diào)給煤量，維持主汽壓力穩(wěn)定[15,16]，其中，Gcm(s)為主汽壓力閉環(huán)控制器。

為實現(xiàn)對焦爐煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣流量擾動進行“全補償”，以焦爐煤氣為例，前饋補償控制器Gcj(s)應(yīng)滿足

Fj×Gj(s)+Fj×Gcj(s)×Gm(s)=0

(6)

其中：Fj為焦爐煤氣流量。

由式(6)可得前饋控制器的表達式：

Gcj(s)=-Gj(s)/Gm(s)

(7)

將模型Gj(s)、Gm(s)帶入式(7)可得：

(8)

其中超前函數(shù)部分e27s在物理上難以實現(xiàn)，對控制器進行簡化處理得到更簡單的設(shè)計公式(9)，同理可得到高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣超前滯后補償控制器式(10)、(11)：

(9)

(10)

(11)

3 協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計與實施

為方便工程調(diào)試，對超前滯后補償器進行分解，以焦爐煤氣超前滯后補償環(huán)節(jié)為例，式(9)通過分解得到

圖6 主汽壓力前饋控制方案

(12)

其中前半部分為靜態(tài)補償輸出，用于抵消或補償煤氣流量增加或減少對應(yīng)的熱量；后半部分為動態(tài)補償輸出，補償煤氣、煤量變化對主汽壓力變化動態(tài)過程的熱量差；為防止煤氣流量小幅波動造成控制器頻繁調(diào)整，增加擾動，對煤氣流量增加濾波環(huán)節(jié)；焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣超前滯后補償控制器與其他前饋相加一起作為鍋爐前饋量，主汽壓力控制方案如圖6所示。

4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投運效果

為驗證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的性能，機組在負荷穩(wěn)定工況下，將轉(zhuǎn)爐煤氣流量擾動11 km3/h，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度等機組主要運行參數(shù)變化曲線如圖7-a和7-b所示，詳細指標分析見表1。

表1 機組主要參數(shù)品質(zhì)指標

圖7-a 轉(zhuǎn)爐煤氣擾動機組主要參數(shù)變化趨勢1

由圖7-b可知，轉(zhuǎn)爐煤氣流量增加時，超前滯后補償控制器使給煤量減少了將近10 t/h，有效補償了煤氣流量變化對應(yīng)的熱量，抑制了主蒸汽壓力的大幅變化，主汽壓力從12.8 MPa上升到13.2 MPa后開始下降，并趨于穩(wěn)定；由表1可知，主蒸汽溫度、汽包水位、爐膛負壓等主要運行參數(shù)波動較小，滿足機組正常運行需求。

5 結(jié)論

本文采用簡單有效的前饋控制思想，設(shè)計了高爐、焦爐和轉(zhuǎn)爐煤氣超前滯后補償控制器，構(gòu)建了協(xié)調(diào)控制方案，實現(xiàn)對煤氣擾動工況下主蒸汽壓力穩(wěn)定控制，保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常投運，減輕了運行人員的操作強度和運行壓力，提高了機組運行自動化水平，也為同類機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化和投運提供參考。